YCN区块煤层气储层损害机理及保护措施研究

蒋永平，于雪峰

(中国石油化工股份有限公司临汾煤层气分公司，山西 临汾 041000)

煤层气作为一种非常规天然气资源，具有清洁、高效、优质等特点，将成为未来常规能源的一种重要补充[1-3]。在煤层气开采过程中外部环境的变化以及外来工作流体的侵入容易对煤层造成损害，影响煤层气的合理高效开发[4-7]。

研究煤层气储层损害机理需要考虑以下几方面：(1)煤层气储层一般具有低孔、低渗的特点，外来工作流体中的固相颗粒或液相侵入容易对储层造成堵塞；(2)煤层气储层易破碎、易压缩，通常具有较强的应力敏感性；(3)煤层气储层井壁稳定性较差，容易在钻完井及生产过程中发生井壁垮塌、煤粉堵塞孔隙等现象；(4)外来工作流体与地层水配伍性差，容易产生沉淀堵塞储层[8-13]。作者以鄂尔多斯盆地东部的YCN区块为研究对象，对其煤层气储层特征，包括岩性特征、物性特征以及地层水特征进行研究，通过储层敏感性评价探讨储层损害机理，并有针对性地提出相应的储层保护措施，为YCN区块煤层气的高效合理开发提供理论依据和技术支持。

1 煤层气储层特征

1.1 岩性特征

YCN区块位于鄂尔多斯盆地东部，含煤储层段为二叠系下统的山西组，煤层平均总厚为145.28 m；可采煤层为15#煤层，总厚为13.52 m。15#煤层镜质组平均反射率为3.54%，属于高变质阶段无烟煤。煤层顶板岩性多为泥岩或砂质泥岩，较为松软；顶板上部为中细粒砂岩，较为稳定；底板岩性多为砂质泥岩、黑色泥岩或粉质砂岩，并夹杂有细粒砂岩。

煤层气储层含有多种矿物成分，其中粘土矿物含量为2.8%～16.5%(蒙脱石相对含量为35%～62%，高岭石相对含量为9%～16%，伊利石相对含量为18%～32%，绿泥石相对含量为5%～13%，伊/蒙混层相对含量为13%～35%)，氧化物类矿物含量为0.5%～0.9%，碳酸岩类矿物含量为0.6%～2.4%。煤层气储层中粘土矿物含量较高，存在潜在敏感性损害。

1.2 物性特征

采用密度法和压降试井法分别测定YCN区块煤层气储层的孔隙度和渗透率。当取样深度分别为584.5 m、591.2 m、643.4 m、751.5 m、819.8 m、892.5 m时，孔隙度分别为4.38%、1.95%、5.26%、3.98%、8.24%、6.17%，渗透率(×10-3μm2)分别为1.02、0.58、1.65、1.29、1.86、1.94。可以看出，YCN区块内同一煤层的孔隙度和渗透率差异较大，储层的孔隙度在1.95%～8.24%之间，渗透率在0.58×10-3～1.94×10-3μm2之间，属于低孔、低渗储层，储层物性较差。

1.3 地层水特征

在煤层气储层钻井过程及生产过程中，外来工作流体会不可避免地与地层水接触，如果存在不配伍现象，将会导致煤层气储层损害。YCN区块地层水的含量相对较少，对YCN区块内两口井储层段地层水进行取样和分析，结果见表1。

由表1可以看出，YCN区块内两口井储层段地层水的总矿化度分别为2 979.7 mg·L-1和2 715.1 mg·L-1，水型均为NaHCO3型。

表1 地层水的离子组成

2 煤层气储层损害机理探讨

基于以上储层特征分析，YCN区块煤层气储层具有低孔、低渗的特点，粘土矿物含量较高，且以蒙脱石、伊利石和伊/蒙混层为主，可能存在潜在水敏性、速敏性或其它敏感性损害。因此，参照SY/T 5358-2010《储层敏感性流动实验评价方法》对YCN区块煤层气储层开展敏感性评价。

2.1 应力敏感性评价

以氮气为驱替介质，保持煤岩进口端的压力恒定，改变净围压，考察煤岩渗透率随净围压的变化情况，结果如图1所示。

图1 应力敏感性评价结果

由图1可以看出，在升压过程中，随着净围压的升高，煤岩渗透率急剧下降，当净围压升至15 MPa时，煤岩渗透率降至0.03×10-3μm2，较初始渗透率下降了97.6%，应力敏损害程度为极强；而在降压过程中，随着净围压的下降，煤岩渗透率有所恢复，但并不能恢复至初始状态，当净围压为1 MPa时，煤岩渗透率恢复至0.52×10-3μm2，较初始渗透率下降了58.4%。这是由于，在升压阶段，煤岩中的孔隙和裂缝被压缩而发生闭合，使煤岩渗透率下降；而在降压阶段，闭合的孔隙和裂缝不能完全恢复至初始状态，对储层造成不可逆损害。所以，在煤层气开发过程中应控制合理的生产压差，防止发生应力敏损害。

2.2 水敏性评价

室内选取YCN区块煤层气储层段1#、2#煤样为研究对象。根据地层水离子组成分析结果，配制矿化度为2 979.7 mg·L-1的模拟地层水，以其为驱替流体，改变模拟地层水的矿化度，考察煤岩渗透率随矿化度的变化情况，结果如图2所示。

图2 水敏性评价结果

由图2可以看出，随着驱替流体矿化度的下降，煤岩渗透率逐渐下降。当以矿化度为0的蒸馏水驱替时，1#和2#煤样的渗透率损害率分别为78.03%和81.42%，水敏损害程度为强，临界矿化度为744.9 mg·L-1。这是由于，YCN区块煤层气储层含有较多的粘土矿物，且蒙脱石和伊/蒙混层的相对含量较高，当驱替流体的矿化度降低时，会引起粘土矿物的水化膨胀，从而堵塞煤岩渗流通道，造成煤岩渗透率下降。所以，在煤层气开发过程中应注意控制入井驱替流体的矿化度高于临界矿化度，或者添加粘土稳定剂等化学处理剂来避免水敏损害。

2.3 速敏性评价

室内选取YCN区块煤层气储层段3#、4#煤样为研究对象，以模拟地层水为驱替流体，改变驱替流体流速，考察煤岩渗透率随流速的变化情况，结果如图3所示。

图3 速敏性评价结果

由图3可以看出，随着驱替流体流速的加快，煤岩渗透率逐渐下降，3#和4#煤样的渗透率损害率分别为41.06%和41.80%，速敏损害程度为中等偏弱，临界流速为0.75 mL·min-1。在煤层气开发压裂施工过程中会因压裂液对煤层的不断冲刷而产生煤粉，从而使微粒运移导致的速敏损害加剧。所以，在煤层气的压裂或排采过程中应注意选择合理的施工工艺，控制返排速度，避免速敏损害。

2.4 碱敏性评价

室内选取YCN区块煤层气储层段5#、6#煤样为研究对象，以模拟地层水为驱替流体，改变驱替流体pH值，考察煤岩渗透率随驱替流体pH值的变化情况，结果如图4所示。

图4 碱敏性评价结果

由图4可以看出，随着驱替流体pH值的增大，煤岩渗透率逐渐下降，5#和6#煤样的渗透率损害率分别为25.52%和29.66%，碱敏损害程度为弱，临界pH值为11。这是由于，YCN区块煤层气储层粘土矿物中的高岭石相对含量较低，虽然该煤层气储层为弱碱敏储层，在煤层气开发过程中，仍应该避免使用高pH值的驱替流体，避免碱敏损害。

3 煤层气储层保护措施

3.1 粘土稳定剂的优选

参照SY/T 5971-2002《注水用粘土稳定剂性能评价方法》对YCN区块煤层气储层段煤岩开展粘土稳定剂优选实验，结果见表2。

表2 粘土稳定剂优选结果

由表2可以看出，加入粘土稳定剂后，煤岩16 h膨胀高度较清水明显下降，说明粘土稳定剂具有较好的抑制粘土水化膨胀作用。其中粘土稳定剂NWD-2的效果最好，当其加量为2.0%时，防膨率达到98.05%，可防止煤层气开发过程中出现水敏损害。

3.2 煤层气钻井液体系储层保护性能评价

根据YCN区块煤层气储层特征及储层损害机理分析结果，在优选出性能优良的粘土稳定剂的基础上，通过大量室内实验，研究了一套适合YCN区块煤层气储层的钻井液体系，具体配方为：淡水+0.3%ZNJ-1+1.0%FT-3+2.0%NWD-2+KCl加重至密度为1.05 g·cm-3。室内使用岩心驱替实验评价其储层保护性能，结果见表3。

表3 煤层气钻井液体系储层保护性能评价

由表3可以看出，切除岩心端面5 mm后，煤岩在钻井液污染后的渗透率恢复值均能达到92%以上，说明钻井液对储层造成的伤害能够通过后期的射孔作业来解除。该钻井液体系具有较好的储层保护效果，可应用于目标区块煤层气储层的钻井施工作业。

4 结论

(1)YCN区块煤层气储层粘土矿物含量较高，达到2.8%～16.5%；储层物性较差，储层的孔隙度在1.95%～8.24%之间，渗透率在0.58×10-3～1.94×10-3μm2之间；储层地层水含量较少，水型为NaHCO3型。

(2)储层敏感性评价结果表明，YCN区块煤层气储层的应力敏损害程度为极强，水敏损害程度为强，速敏损害程度为中等偏弱，碱敏损害程度为弱。

(3)根据储层特征及储层损害机理分析提出了相应的储层保护措施，优选到性能优良的粘土稳定剂NWD-2，并研究了一套适合目标区块煤层气储层保护的钻井液体系，能够满足该区块煤层气储层钻井施工要求。